專利名稱：高韌性Al的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種高韌性Al2O3/Ti3SiC2層狀陶瓷復合材料及其熱壓制備方法，屬于陶瓷材料技術領域。
有關陶瓷材料的增韌一直是陶瓷材料界研究的熱點問題之一。近些年來，人們從天然材料的研究中得到啟示，天然的生物材料，如竹、木、骨骼、貝殼珍珠層等，它們通過不同組分和特殊結構的精細組合，賦予了非常好的韌性和綜合性能。層狀結構陶瓷材料就是通過模仿貝殼珍珠層的層狀結構來對陶瓷材料進行增韌。自從1990年W.J.Clegg等人[文獻1Nature，1990，347445～447]報道了SiC/C層狀陶瓷并獲得成功以后，層狀結構增韌就成為陶瓷材料中一種有效的增韌手段，并成為了新的研究熱點之一。通過在陶瓷材料中引入層狀結構，使得陶瓷材料在受力斷裂時裂紋能在層間反復偏轉，增加了裂紋擴展的阻力，從而大大增加斷裂功，大大提高斷裂韌性。
根據層狀結構的界面結合的強弱，對層狀結構陶瓷復合材料的研究可以大致分為兩類弱結合界面和強結合界面。一是主要通過層狀材料中較弱的分隔層或較弱的層間界面，使裂紋在擴展到分隔層時發生偏轉，進而引發大量的增韌機制，消耗大量的能量，最終達到提高陶瓷材料韌性的目的。這一方面的主要研究體系包括Si3N4/BN體系[文獻2J.Am.Ceram.Soc.，2002，85[10]2452-61]、SiC/C體系[文獻1]等。這類材料相對于基體塊體材料來說，斷裂韌性提高非常明顯，可提高幾倍，斷裂功也可提高數十倍、乃至上百倍，但是因界面層較弱，往往降低了材料的強度。另一類是強界面結合的層狀結構材料，如Al2O3/ZTA等[文獻3J.Eur.Ceram.Soc.，1999，19255～262]，主要是利用分隔層與基體層之間的熱失配，在燒結后冷卻過程中形成有利于裂紋發生橫向偏轉的殘余應力狀態，從而增加斷裂功和斷裂韌性。這一類材料的增韌效果雖然不如弱結合界面的明顯，而且由于高溫下殘余應力的釋放而導致高溫性能較差，但是由于分隔層與基體層之間界面結合較強，而使材料保持了較高的強度。
在本發明制備的Al2O3/Ti3SiC2層狀陶瓷復合材料中，同時引入了上述兩種裂紋偏轉機制，使材料的強度與韌性均達到了較高的水平。鑒于目前市場尚無成品的Ti3SiC2粉料出售，本發明提供了一種原位熱壓制備Al2O3/Ti3SiC2層狀陶瓷復合材料的簡單方法。
本發明提出的高韌性Al2O3/Ti3SiC2層狀陶瓷復合材料，其特征在于該復合材料由基體層和分隔層組成，所述基體層的原料及配比為，Al2O3(85～100)wt％；助燒劑(0～15)wt％ [(0～10)％MgO+(0～10)％SiO2+(0～10)％Al2O3]的熔融體；所述分隔層的原料及配比為，Ti∶Si∶C(活性炭粉)＝3∶(0.8～2.0)∶(0～1.2)(摩爾比)助熔劑CaF2(0～10)wt％。
本發明提出的高韌性Al2O3/Ti3SiC2層狀陶瓷復合材料的熱壓制備方法，其特征在于所述熱壓制備方法依次為(1)按上述配方稱量基體層原料，球磨，出料后烘干、過篩，得到混合的基體層粉料；(2)按上述配方稱量分隔層粉料，球磨，出料后烘干、過篩，得到混合的分隔層粉料；(3)將步驟(1)和(2)獲得的基體層和分隔層陶瓷粉體分別按比例與成型助劑進行攪拌混合，然后在軋膜機上進行練泥，直至獲得塑性良好的可塑泥團，泥團含水率在10～25％，并將泥團在密封狀態下陳腐，然后用軋膜機對可塑泥團進行反復軋制，軋成厚度為0.08～1mm的薄片；(4)將步驟(3)軋膜得到的兩種坯片平行交替疊層或按一定的方式排列，放入石墨模具中；(5)將裝有坯體的模具在空氣氣氛下，先以＜5℃/分鐘的速度慢速升溫至300～450℃，保溫2～4小時進行排膠處理，待有機物完全排盡后，施加5～10MPa的壓力進行冷壓，之后置于有氬氣氣氛的熱壓燒結爐中熱壓燒結，升溫速率為(5～20)℃/min，燒結溫度為(1500～1650)℃，保溫時間(1～4)小時，并在燒結過程中施加(15～40)MPa的壓力。
在上述熱壓制備方法中，步驟(3)所述成型助劑為粘合劑、增塑劑和潤滑劑，其中粘結劑采用PVA30wt％水溶液，增塑劑采用甘油，潤滑劑采用液體石蠟。
在上述熱壓制備方法中，步驟(3)所述基體層陶瓷粉體與成型助劑的比例為陶瓷粉∶粘結劑∶增塑劑∶潤滑劑＝100∶(20～30)∶(2～5)∶(2～5)。
在上述熱壓制備方法中，步驟(3)所述分隔層陶瓷粉體與成型助劑比例為陶瓷粉∶粘結劑∶增塑劑∶潤滑劑＝100∶(20～40)∶(2.5～6)∶(2.5～6)。
本發明通過上述原位熱壓燒結法制出了Al2O3/Ti3SiC2層狀陶瓷復合材料，其中Ti3SiC2層與Al2O3層的厚度比為(0.1～1.2)。在燒結過程中由于Ti3SiC2層中產生了富Si的液相，且在燒結溫度下會發生揮發和擴散，因此Ti3SiC2層中含有一定量的TiC，這些TiC的存在改變了材料中的殘余應力，再加上兩種層間的界面不是很強，因此裂紋可以在層間界面上發生橫向偏轉并在界面上擴展，因此在材料受力開裂時對裂紋進行反復偏折、使裂紋尖端鈍化、造成兩種片層相對裂紋的橋接和拔出等，從而大大降低陶瓷材料對裂紋的敏感性并有效地提高韌性。同時，殘余應力的存在，使得復合材料中Ti3SiC2層抵抗破壞的能力增加，因此材料的強度不僅沒有降低，而且還有所提高。所制備的材料具有較好的力學性能斷裂韌性＞9～15MPa·m1/2，抗彎強度為300～700MPa，斷裂功1500～3000J/m2，并且材料的載荷-位移曲線顯示出非脆性破壞的特性。
本發明所制備的層狀陶瓷復合材料具有高強度、高韌性、耐高溫等優點，可用于航天飛機、防彈裝甲、輸送管道等部件的表面材料以及一些結構零部件的材料，具有非常廣闊的應用前景。
(3)按(1)中分隔層配方稱量分隔層粉料。混合方法同上。
(4)成型工藝陶瓷粉料與成型助劑混練基體層和分隔層的成型均采用軋膜法，加入粘合劑、增塑劑和潤滑劑為成型助劑。粘結劑采用PVA30wt％水溶液，采用甘油為增塑劑，采用液體石蠟為潤滑劑。具體加入量如下基體層陶瓷粉∶粘結劑∶增塑劑∶潤滑劑＝100∶(20～30)∶(2～5)∶(2～5)分隔層陶瓷粉∶粘結劑∶增塑劑∶潤滑劑＝100∶(20～40)∶(2.5～6)∶(2.5～6)坯體層片的成型將(2)和(3)中獲得的陶瓷粉體分別按上述配方與成型助劑進行攪拌混合，然后在軋膜機上進行練泥，直至獲得塑性良好的可塑泥團，泥團含水率在10～25％。并將泥團在密封狀態下陳腐12～24小時，然后用軋膜機對可塑泥團進行反復軋制，軋成厚度為0.08～1mm的薄片。
疊層將軋膜得到的兩種坯片平行交替疊層或按一定的方式排列，放入石墨模具中。
(5)排膠和燒結將裝有坯體的模具在空氣氣氛下，先慢速升溫(＜5℃/分鐘)至300～450℃，保溫2～4小時進行排膠處理，待有機物完全排盡后，施加5～10MPa的壓力進行冷壓。之后置于有氨氣氣氛的熱壓燒結路中熱壓燒結，升溫速率為(5～20)℃/min，燒結溫度為(1500～1650)℃，保溫時間(1～4)小時，并在燒結過程中施加(15～40)MPa的壓力。
下面結合實施例對本發明做進一步描述
權利要求
1.高韌性Al2O3/Ti3SiC2層狀陶瓷復合材料，其特征在于該復合材料由基體層和分隔層組成，所述基體層的原料及配比為，Al2O3(85～100)wt％；助燒劑(0～15)wt％ [(0～10)％MgO+(0～10)％SiO2+(0～10)％Al2O3]的熔融體；所述分隔層的原料及配比為，Ti∶Si∶C(活性炭粉)＝3∶(0.8～2.0)∶(0～1.2)(摩爾比)，助熔劑CaF2(0～10)wt％。
2.按照權利要求1所述的高韌性Al2O3/Ti3SiC2層狀陶瓷復合材料的熱壓制備方法，其特征在于所述熱壓制備方法依次為(1)按上述配方稱量基體層原料，球磨，出料后烘干、過篩，得到混合的基體層粉料；(2)按上述配方稱量分隔層粉料，球磨，出料后烘干、過篩，得到混合的分隔層粉料；(3)將步驟(1)和(2)獲得的基體層和分隔層陶瓷粉體分別按比例與成型助劑進行攪拌混合，然后在軋膜機上進行練泥，直至獲得塑性良好的可塑泥團，泥團含水率在10～25％，并將泥團在密封狀態下陳腐，然后用軋膜機對可塑泥團進行反復軋制，軋成厚度為0.08～1mm的薄片；(4)將步驟(3)軋膜得到的兩種坯片平行交替疊層或按一定的方式排列，放入石墨模具中；(5)將裝有坯體的模具在空氣氣氛下，先以＜5℃/分鐘的速度慢速升溫至300～450℃，保溫2～4小時進行排膠處理，待有機物完全排盡后，施加5～10MPa的壓力進行冷壓，之后置于有氬氣氣氛的熱壓燒結爐中熱壓燒結，升溫速率為(5～20)℃/min，燒結溫度為(1500～1650)℃，保溫時間(1～4)小時，并在燒結過程中施加(15～40)MPa的壓力。
3.按照權利要求2所述的熱壓制備方法，其特征在于步驟(3)所述成型助劑為粘合劑、增塑劑和潤滑劑，其中粘結劑采用PVA30wt％水溶液，增塑劑采用甘油，潤滑劑采用液體石蠟。
4.按照權利要求2或3所述的熱壓制備方法，其特征在于步驟(3)所述基體層陶瓷粉體與成型助劑的比例為陶瓷粉∶粘結劑∶增塑劑∶潤滑劑＝100∶(20～30)∶(2～5)∶(2～5)。
5.按照權利要求2或3所述的熱壓制備方法，其特征在于步驟(3)所述分隔層陶瓷粉體與成型助劑比例為陶瓷粉∶粘結劑∶增塑劑∶潤滑劑＝100∶(20～40)∶(2.5～6)∶(2.5～6)。
全文摘要
高韌性Al
文檔編號C04B35/63GK1477081SQ0314639
公開日2004年2月25日 申請日期2003年7月11日 優先權日2003年7月11日
發明者汪長安, 昝青峰, 趙世柯, 黃勇 申請人:清華大學